托托科技助力西交大AFM：實(shí)現(xiàn)3D毛細(xì)液體二極管與智能潤(rùn)滑新突破

近日，西安交通大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計(jì)與轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)在《Advanced Functional Materials》期刊上發(fā)表了題為“3D Capillary Liquid Diode for Selective Liquid Steering and Smart Lubrication”的研究成果。該研究受生物纖毛和三維棘輪結(jié)構(gòu)啟發(fā)，在封閉微管內(nèi)構(gòu)建了傾斜且彎曲的微柱陣列，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)5.4的單向滲透比（正向/反向滲透高度比），并成功應(yīng)用于選擇性液體導(dǎo)向和智能潤(rùn)滑增強(qiáng)。

在這一突破性研究中，托托科技（TuoTuo Technology）的織雀® PL3D-05高精度3D光刻設(shè)備為三個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用器件的制造提供了核心支撐，助力團(tuán)隊(duì)完成了從基礎(chǔ)驗(yàn)證到工程應(yīng)用的關(guān)鍵跨越。

研究背景：突破二維局限，邁向三維可控輸運(yùn)

液體二極管是一種被動(dòng)式單向液體輸運(yùn)器件，無(wú)需外部泵浦，通過(guò)界面不對(duì)稱(chēng)性（化學(xué) / 幾何）實(shí)現(xiàn)液體定向流動(dòng)、抑制回流，在微流控、集水、油水分離、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域潛力巨大。

然而，現(xiàn)有設(shè)計(jì)大多依賴(lài)開(kāi)放表面，一旦液體進(jìn)入封閉微通道，液-氣界面受到管壁嚴(yán)格約束，單向性調(diào)控便容易失效。如何設(shè)計(jì)一種能在受限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、高對(duì)比度單向滲透的三維液體二極管，成為該領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸。

西安交大團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地在直徑2?mm的微管內(nèi)壁，沿圓周方向布置了傾斜微柱陣列，并進(jìn)一步引入曲率匹配的彎曲微柱設(shè)計(jì)，使微柱輪廓與液-氣界面的自然曲率吻合。通過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化微柱數(shù)量、傾斜角和間距，最終將單向性系數(shù)K從直柱的2.33提升至5.4，提升幅度達(dá)133.5%。

圖. 彎曲微柱毛細(xì)管二極管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)值模擬及定向滲透行為。(a) 彎曲微柱毛細(xì)管微管示意圖，展示實(shí)現(xiàn)定向毛細(xì)管輸運(yùn)的非對(duì)稱(chēng)幾何結(jié)構(gòu)。(b) 能量最小化分析所用的簡(jiǎn)化幾何模型。(c) 計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分與邊界條件設(shè)置。(d) 壁面接觸角C10～C60對(duì)應(yīng)的氣-液界面平衡彎月面數(shù)值模擬輪廓。(e) C30微管中50%乙醇-水溶液在正向與反向放置時(shí)滲透過(guò)程的高速成像圖。(f) 空白微管、直微柱微管與優(yōu)化后C30彎曲微管的滲透高度及單向性系數(shù)K對(duì)比。

托托科技高精度3D光刻設(shè)備：精準(zhǔn)制造，助力三大應(yīng)用落地

在該研究中，三個(gè)面向?qū)嶋H應(yīng)用場(chǎng)景的完整功能器件，則全部由托托科技織雀® PL3D-05高精度3D光刻設(shè)備制備。該設(shè)備基于投影微立體光刻技術(shù)，能夠以微米級(jí)精度一體化成型復(fù)雜三維內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，無(wú)需后期組裝，匹配了研究中對(duì)微細(xì)結(jié)構(gòu)保真度、重復(fù)性和集成度的嚴(yán)苛要求。

應(yīng)用一：T形三通液體導(dǎo)向器件

團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了三個(gè)C30彎曲微柱通道正交連接的T型結(jié)構(gòu)。PL3D-05以5?μm精度加工出曲率引導(dǎo)單元和通道接口，確保液體從不同入口注入后，沿曲率方向指定的支路快速推進(jìn)，而反向支路因邊緣釘扎效應(yīng)被有效阻斷。實(shí)現(xiàn)了無(wú)源、可編程的定向液體分配，為微流控邏輯芯片和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)化流體操控提供了新范式。

應(yīng)用二：C10 / C60 雙通道分岔篩選器件

研究進(jìn)一步設(shè)計(jì)了入口連接兩條水平分支的器件，分支分別采用C10和C60彎曲微柱幾何。PL3D-05的高分辨率使C10與C60的細(xì)微輪廓差異得以精確復(fù)現(xiàn)，從而產(chǎn)生足夠的潤(rùn)濕對(duì)比度：純水（接觸角60°）自動(dòng)流向C10側(cè)，而70%乙醇-水混合物（接觸角≈20°）流向C60側(cè)。實(shí)現(xiàn)了基于液體自身潤(rùn)濕性的被動(dòng)式篩選，無(wú)需任何外部控制，為生化分析中的樣品預(yù)分離和試劑路由提供了全新思路。

應(yīng)用三：自潤(rùn)滑基底（垂直連通孔+內(nèi)部?jī)?chǔ)油池）

突出的應(yīng)用是智能潤(rùn)滑增強(qiáng)。團(tuán)隊(duì)在基板內(nèi)一體化集成了垂直孔道與下方儲(chǔ)油池，孔壁布置C30彎曲微柱。PL3D-05以高精度和優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性，一次性成型了包含儲(chǔ)油腔、豎直導(dǎo)油管和彎曲微柱陣列的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)。在往復(fù)摩擦測(cè)試中（10?N、6?Hz、100?000次循環(huán)），該結(jié)構(gòu)成功將潤(rùn)滑油從儲(chǔ)油池單向泵送至摩擦界面，反向行程阻止回流，形成穩(wěn)定油膜。相比裸孔樣品，彎曲微柱樣品的摩擦系數(shù)更平穩(wěn)、磨損深度降低超過(guò)50%，長(zhǎng)時(shí)耐久性大幅提升。這一成果為自潤(rùn)滑軸承、智能滑軌等機(jī)械系統(tǒng)的無(wú)源潤(rùn)滑管理開(kāi)辟了新路徑。

圖. 彎曲微柱陣列在選擇性液體導(dǎo)向與智能潤(rùn)滑強(qiáng)化中的應(yīng)用。(c) 搭載高速相機(jī)的往復(fù)式摩擦試驗(yàn)機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置；該裝置可同步監(jiān)測(cè)摩擦行為與潤(rùn)滑劑動(dòng)態(tài)。(d) 自潤(rùn)滑基底中空白孔與填充微柱孔的結(jié)構(gòu)對(duì)比；彎曲微柱可形成連續(xù)毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)，用于儲(chǔ)油與補(bǔ)油。(e) 5 N 載荷、2 Hz 頻率下往復(fù)滑動(dòng)測(cè)試中摩擦系數(shù)變化；含微柱樣品摩擦系數(shù)更低且更穩(wěn)定，表明持續(xù)潤(rùn)滑效果。(f) 滑動(dòng)后磨損區(qū)域的三維表面形貌及橫截面輪廓；含微柱表面磨損痕跡更平整、深度更淺，證實(shí)摩擦損傷降低。(g) 摩擦表面潤(rùn)滑劑遷移的高速可視化；含微柱樣品中，油液從內(nèi)部孔隙持續(xù)輸運(yùn)至接觸區(qū)，進(jìn)而提升摩擦學(xué)性能。

托托科技織雀® ：科研級(jí)高精度3D光刻設(shè)備的優(yōu)勢(shì)

超高精度：托托科技提供1?, 2?, 5, 10?μm精度及多精度融合設(shè)備，靈活適配不同分辨率需求的科研與工業(yè)場(chǎng)景。本研究中使用的是5?μm分辨率的型號(hào)設(shè)備，分層厚度<5?μm，可制造微米級(jí)精細(xì)曲面和懸垂結(jié)構(gòu)。

復(fù)雜結(jié)構(gòu)一體化成型：無(wú)需組裝，直接打印內(nèi)部流道和微柱陣列，避免鍵合泄露風(fēng)險(xiǎn)。

材料兼容性廣：支持多種光敏樹(shù)脂及陶瓷前驅(qū)體，滿(mǎn)足不同潤(rùn)濕性和力學(xué)性能需求。

快速交付：數(shù)小時(shí)內(nèi)完成設(shè)計(jì)迭代，大幅縮短研發(fā)周期。

托托科技持續(xù)賦能前沿科研

此次助力西安交通大學(xué)團(tuán)隊(duì)在《Advanced Functional Materials》發(fā)表高水平成果，是托托科技高精度3D光刻設(shè)備在微納流體、仿生材料、智能潤(rùn)滑交叉領(lǐng)域的又一次成功應(yīng)用。未來(lái)，托托科技將繼續(xù)深耕高精度微納加工技術(shù)，為新材料、微電子、生物芯片、自旋電子學(xué)等領(lǐng)域的科研工作者提供更優(yōu)質(zhì)的設(shè)備與技術(shù)支持，攜手推動(dòng)從基礎(chǔ)研究到產(chǎn)業(yè)落地的創(chuàng)新跨越。

相關(guān)研究成果鏈接：doi.org/10.1002/adfm.75947